《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书

原文网址:https://www.dolby.com/us/en/technologies/dolby-vision/dolby-vision-whitepaper.pdf

什么是杜比视界?

杜比视界借助于非比寻常的亮度、对比度和颜色的展现能力,极大地提升了观众对于电影、电视和游戏的视觉体验。

通过采用新型的影院技术和电视显示能力,杜比视界发布了高动态范围(HDR)和广色域(WCG)的内容。

这些内容的视觉体验真实性甚至会令观众忘记自己正坐在屏幕前观看。

传统的影院和视频标准由于技术受限,不得不通过限制亮度、对比度、颜色的方式进行场景重现,从而无法显示真实显示原始的画面内容。

杜比视界的出现,解决了这一问题,通过采用杜比技术,可以忠实地在电视、电脑、移动设备上面重现真实场景。

杜比视界与杜比全景声是互为补充的,它为电影、电视、游戏的制作者提供了一系列工具,用于创建可以让用户沉浸其中的作品。

对于电视、游戏、个人电脑、移动设备的厂商而言,杜比视界可以解锁其硬件的所有特性,并且能够为他们的产品提供更好的体验感。

杜比视界:基于人眼视觉系统

对于电影、电视、游戏和原创内容,有以下三种途径可以提升画面质量:

  • 更高的空间分辨率:4K、8K,或者更高
  • 更高的帧率
  • 更高的像素质量(高动态范围和广色域):杜比视界

4K电视具有更多的像素显示能力,并且在UHD TV的新标准中也包含了高帧率的部分,但是这些标准都没有提到关于如何更好地重现人眼可视亮度范围的部分。杜比视界便是杜比实验室针对这一挑战所提供的解决方案。

真实世界具有更广的颜色和亮度范围,比当前广播、蓝光和影院系统所支持的范围都要广。

例如,在下图中,亮度范围最低为背景中的145 nits,最高为14700 nits的黄色花瓣部分。

(nit是亮度测量单位,1 nit等于1 candela每平方米)

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第1张图片

当前的电视和蓝光标准的范围是,最大亮度100 nits和最小亮度0.117 nits。

同时颜色也被限制到所能够显示的色域范围。这些对于HDTV标准的限制都是CRT时代的遗留问题。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第2张图片

需要多大的动态范围?

杜比图像研究团队针对一般观看者进行了一系列的试验,以便于验证该问题。研究者测试发现,观看者更喜欢更低的暗场标准、更广的白场范围和更高的高亮标准。试验结果表明,一个能够重建0到10000 nits亮度范围的系统可以满足90%观看者的喜好。

关于当前亮度和颜色约束的另一个关键问题是实际的电视如何重现颜色。

下图展示了典型的人眼可见颜色范围,其中可以看到当前高清标准显示的颜色空间与杜比视界所显示的颜色空间之间的差距。

 

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第3张图片

当然,这并不是所看到的全部内容,还要注意到亮度范围和颜色容量的影响。

下图便展现了杜比视界在颜色容量方面的优势。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第4张图片

电视显示系统是一个加性颜色系统,使用红、绿、蓝作为三基色,这意味着最亮的像素为白色。将亮度范围限制在100 nits存在的一个问题是(在电视和蓝光领域),颜色越亮,就会越是接近白色,从而导致高亮的颜色会产生饱和度损失。例如,在常用显示器上的最亮的饱和蓝色大概是7 nits,这使得展现出来的天空没有实际的那么亮和那么蓝。通过采用杜比视界高达4000 nits,未来将会达到10000 nits的最大亮度,内容创作者便能够在当今具备相应能力的显示器上面展现更加接近真实颜色的蓝天。

为什么用杜比视界?

影视导演专注于讲述故事,游戏设计者专注于创造迷人的、令人沉浸其中的游戏体验。对于这些创作者而言,媒体的限制是一大挑战。对此,杜比与好莱坞制片厂、影院、消费设备制造商有着紧密的合作关系,具有50多年共同创作迷人的故事和游戏的经验,最开始是在降低噪声方面,然后是5.1和7.1的环绕立体声,直到现今的杜比视界和杜比全景声。

杜比视界为导演和调色师(或者游戏设计师和光效设计师)提供了一系列工具,使其能够精确地调整重现的颜色、光效和细节阴影等效果,从而令观众获得更好的场景视觉体验。

内容创作者看到的便是观众得到的

当今系统的限制来源于当前电视和蓝光标准的限制。广播电视或者蓝光碟片的最大亮度是100 nits,而现在的电视通常具有300到500 nits的最大亮度显示能力,所以电视厂商尝试扩展播放内容的最大亮度,以便于匹配显示屏的能力,从而导致了图像的失真。另外,由于不同厂商进行扩展时所面对的输出场景不同,将会导致观看者在电影、电视、游戏中产生不同的感受。

杜比视界解决了上述问题,内容创作者通过使用兼容杜比视界的参考显示器调整其内容中的颜色部分,该显示器具有更高的动态范围和广色域特性,从而确保了最高的保真度。采用杜比视界技术的图片中包含内容创作系统的相关的元数据。由于任何通过杜比视界认证的电视都是严格遵循杜比技术规范的,这就意味着它可以借助于这些元数据重建出高质量的内容,并且以最合适和最精准的方式显示在每个屏幕上。因此,杜比视界才会被众多的工作室所采用,将其应用于在影院和家中观看最佳效果的好莱坞大片。

如何使用杜比视界?

杜比视界的设计理念是,尽可能容易地集成到已有的内容创作之中。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第5张图片

内容创作

杜比视界具有与现有色彩校正类似的工作流,可尽可能保留摄影机原始拍摄的内容,同时避免出现创意妥协的情况。

杜比视界HDR参考显示器具有高达4000 nits的亮度峰值,可用于调整内容的颜色与亮度。杜比视界的分级过程的目标便是能够在参考分级中捕获艺术意图。通过使用分级系统和参考显示器,导演、创作者和调色师可以尽情地进行艺术创作,并最大地发挥显示设备的动态范围优势。

参考分级完成之后,杜比视界的颜色分级系统将会解析并保存动态元数据,用于描述针对显示设备所做的创作意图。内容映射单元(CMU)会将带有元数据的内容以标准亮度(100 nits)映射到参考显示设备上面。

在确认过标准动态范围的版本后,调色师导出带有元数据的图像。这些产生于创建SDR分级的动态元数据被送给显示端的杜比视界处理流程,用于重建HDR内容。针对这些内容,一台600 nits的电视展示的效果是不错的,1200 nits的电视将会有更好的效果。

对于离线分级的内容映射单元使用的相同算法,同样可以采用杜比视界技术为实时广播信号创建传统的兼容性分级。

游戏创作

当今的大多数游戏引擎都支持高动态范围显示。

增加杜比视界所需的支持:

  • 艺术性,专注于使用杜比视界进行创作
  • 参考显示器,用于浏览杜比视界的创作内容
  • 游戏引擎,兼容杜比视界技术

杜比实验室正致力于引导游戏引擎的创作者,使其确保自己的引擎能够更好地兼容杜比视界技术。

传输/传送

杜比视界可以直接使用符合工业标准的HEVC和AVC编码器,而无需新的编码器。通过预处理,可以将完整的杜比视界信号编码成一个单独的HEVC Main-10流,或者两个带有更低位深的AVC/HEVC层,再加上元数据,便可以适用于电视、个人电脑和移动设备。客户使用已有的视频解码器,便能够通过这些数据重建并回放完整的信号内容。

杜比实验室正致力于引导标准化组织确保杜比视界内容能够以标准的方式发布在其生态系统中,这些组织包括:蓝光协会(Blu-ray Disc Association)、数字视频广播(DVB)、动态图像专家组(MPEG)、数字娱乐内容生态系统(UltraViolet/DECE)、SCSA。

需要多少位深?

在确定了杜比视界能够在0到10000 nits的范围内进行亮度重建之后,杜比的研究者们开始寻找更为有效的高动态范围视频的传输方式。对于当前的100 nits的标准动态范围系统,视频使用8比特位深经由伽马曲线进行编码。当范围放大100倍时,想要使用相同的伽马方法,则需要14比特位深。幸运的是,人眼对于暗场景亮度变化的敏感度要高于高亮场景。因此,杜比开发了一种新的电光转换函数(EOTF),针对10000 nits的范围,可以使用12比特完成原本需要14比特的编码内容,并且不会引入任何边界问题。这种新的感知量化(Perceptual Quantizer)方法被标准化为SMPTE ST-2084,并且被广泛使用于各种HDR相关的标准和应用中。

一些HDR方法使用10比特的PQ EOTF。为什么使用12比特更为重要呢?人眼对不同的亮度等级具有不同的敏感度,并且对于大范围统一亮度附近的细微变化特别敏感。10比特的敏感度曲线始终位于可视化差异阈值之上,这就意味着观看者总是能够看到亮度变化之间的差异。在自然场景中,这种差异经常以噪声的形式存在,如果量化等级太低,便会在类似于天空这种平坦区域看到伪轮廓的现象。

回放

杜比视界借助于广范围的显示设备实现更好的视觉体验,包括:高端的OLED电视、量子点LCD电视,以及未来的电脑和移动设备。

下表展示了不同设备类型在支持回放杜比视界内容时所必需的技术组件。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第6张图片

杜比正与其工业合作伙伴共同研究更加便于集成的芯片和软件应用方式。

记录与合成

杜比视界可以兼容广范围的视频编码,当前主要使用HEVC和AVC解码器。可以采用多种方式实现杜比视界信号内容的编解码,主要取决于创作者的内容实现需求以及显示设备的硬件能力,杜比视界的信号内容的发布可以使用单独的HEVC Main-10码流的方式,或者两组AVC-8/HEVC-8/HEVC-10码流。对于前者,可以使用标准HEVC解码器,然后使用杜比视界模块进行后处理,从而生成完整的12比特杜比视界信号内容。对于后者,原始码流是分离的,基础码流和增强码流分别送给各自的解码器。杜比视界合成器负责将基础层、增强层和元数据三部分合成为完整的信号内容。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第7张图片

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第8张图片

显示器映射

显示器映射用于匹配和调整目标显示设备,在已知设备的最大/最小亮度、色域,及其它特性描述的情况下。完整杜比视界视频信号内容的元数据携带有信号的源系统中使用的分级内容和特殊信息。使用这些元数据,显示器映射可以自动转换信号以匹配目标设备,获得最佳输出效果。

《Dolby Vision White Paper》,译名:杜比视界白皮书_第9张图片

总结

该技术已经远远超越了当前的电视和电影行业的图像标准。杜比视界将会提供一种产品优势,这种端对端的解决方案能够提供更为生动的影像显示,并且能够更好地展现影视内容中的原创性意图。杜比视界增强了当今的影像视觉体验,同时也为新一轮的电视、电影、游戏和流媒体服务等领域的变革做好了准备。

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